JP2011247717A - 距離センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】距離センサにおいて、簡単な構成により、処理する信号の周波数帯域を抑えることによる低コスト化と測定精度の向上または維持を図る。
【解決手段】距離センサ1は、第1、第2の周波数の信号を生成する第1、第2のシンセサイザ11,12と、第1の周波数の信号を第2の周波数でサンプリングしてスタート信号を出力するサンプルホールド回路3と、第1の周波数でパルス化した信号波を送信する投光器4と、反射して戻ってくる信号波を受信して受信信号を出力する受光器5と、受信信号を第2の周波数でサンプルホールドした信号に基づいてストップ信号を生成して出力する比較判断回路6と、スタート信号の出力からストップ信号の出力までの経過時間に基づいて対象物Mまでの距離を演算する計数演算器7とを備える。比較判断回路6は、等価サンプリングとサンプルホールドとにより、システムの低速動作が可能とされる。
【選択図】図1
【解決手段】距離センサ1は、第1、第2の周波数の信号を生成する第1、第2のシンセサイザ11,12と、第1の周波数の信号を第2の周波数でサンプリングしてスタート信号を出力するサンプルホールド回路3と、第1の周波数でパルス化した信号波を送信する投光器4と、反射して戻ってくる信号波を受信して受信信号を出力する受光器5と、受信信号を第2の周波数でサンプルホールドした信号に基づいてストップ信号を生成して出力する比較判断回路6と、スタート信号の出力からストップ信号の出力までの経過時間に基づいて対象物Mまでの距離を演算する計数演算器7とを備える。比較判断回路6は、等価サンプリングとサンプルホールドとにより、システムの低速動作が可能とされる。
【選択図】図1
Description
本発明は、信号波の往復の時間に基づいて距離を求める距離センサに関する。
従来の距離センサを、図11、図12を参照して説明する。図11に示すように、従来の距離センサ9は、時間を計測する計数器90と、パルス発生器91と、パルス発生器91からのパルス信号に基づいてパルス光(方形波形の信号波)を出す投光器92と、投光器92から出されて対象物Mから反射して戻ってくるパルス光を受信して受信信号を出力する受光器93と、受信時刻の信号を出力する停止信号回路94と、を備えて構成されている。停止信号回路94は、受光器93からの受信信号を分岐した一方を既知の割合で減衰させる減衰回路94aと、他方を既知の遅延時間tdだけ遅延させる遅延回路94bと、これらの信号を比較してその結果を出力するコンパレータ94cと、誤動作防止用の振幅値判定回路94dと、を備えている。コンパレータ94cは、減衰信号の後に遅れて入力される非減衰信号を振幅比較によって検出し、比較結果として検出信号を出力する。信号波の波形および受信信号の遅延は、図中に示しているように、減衰信号と遅延信号とが互いに時間的に重なって存在するように設定されている。振幅値判定回路94dは、受光器93からの受信信号が所定の閾値よりも低い場合にコンパレータ94cによる出力を禁止する。計数器90は、パルス発生器91からのパルス信号に基づいて時間計測を開始し、停止信号回路94からの検出信号に基づいて時間計測を終了して、両信号間の計測時間τを得る。パルス光の往復時間tは、t=τ−tdとなる。計測された時間τ、既知の光速c、および既知の遅延時間tdから対象物Mまでの距離Lが、L=c×t/2=c×(t−td)/2によって求められる。
また、図12に示す従来の距離センサ9は、上述した距離センサ9において、減衰器94aが微分回路94eに替わり、遅延回路94bが除かれて所定の比較用のレファレンス信号が用いられるものである。微分回路94eは、受光器93からの受信信号を微分してコンパレータ94cに入力する。コンパレータ94cは、レファレンス信号と、微分回路94eからの微分信号とを比較し、微分信号のゼロクロス時刻を検出する。微分値がゼロとなる受信信号の波高の頂点に対応する時刻までの時間が上記の遅延時間tdに相当し、上式同様に距離Lが求められる。図11、図12に示した距離センサ9は、共に単発のパルス信号の往復時間に基づき対象物までの距離を求めるものである。
また、従来、第1の周波数で次々と発生する方形信号波を対象物に照射し、反射波を連続的に受信し、受信信号を第2の周波数のタイミングでサンプリングして往復時間t、すなわち距離Lを求めるようにした距離センサが知られている(例えば、特許文献1参照)。この距離センサは、処理対象を時間的または空間的に拡大する技術を応用するものである。
しかしながら、上述した図11、図12に示されるような距離センサは、いずれもコンパレータを用いるものであるが、コンパレータへの入力電圧の振幅差に依存する伝達遅延について考慮されていない。一般に、コンパレータには、入力電圧の振幅差に依存する伝達遅延があるので、通常、コンパレータの伝達遅延を抑えるために、高速のパルス(立ち上がりが速い)で、かつ、十分な振幅の信号を得る必要があり、高速部品を必要とする。従って、低速で安価な部品を使って距離センサを構成すると、受信信号振幅が小さい場合に、測定精度が悪くなる。また、特許文献1の構成では簡単かつ安価な構成にするのは難しい。
本発明は、上記課題を解消するものであって、簡単な構成により、処理する信号の周波数帯域を抑えることによる低コスト化と共に測定精度の向上または維持を実現できる距離センサを提供することを目的とする。
上記課題を達成するために、本発明の距離センサは、対象物に照射した信号波が対象物から反射して戻ってくるまでの往復の時間の計測結果に基づいて対象物までの距離を求める距離センサにおいて、第1の周波数の信号を生成する第1のシンセサイザと、第1の周波数とは異なる第2の周波数の信号を生成する第2のシンセサイザと、第1の周波数の信号を第2の周波数に基づきサンプリングすることによりスタート信号を生成して出力するスタート信号生成手段と、第1の周波数に基づきパルス化した信号波を外部に送信する送信部と、送信部から送信されて対象物から反射して戻ってくる信号波を受信して受信信号を出力する受信部と、受信部からの受信信号を前記第2の周波数に基づきサンプルホールドした信号に基づいてストップ信号を生成して出力するストップ信号生成手段と、スタート信号の出力からストップ信号の出力までの経過時間に基づいて対象物までの距離を演算して求める距離演算手段と、を備えることを特徴とする。ストップ信号生成手段は、受信信号を分岐した信号のうちの1つの信号を減衰する減衰回路と、分岐した信号のうちの1つの信号を遅延させる遅延回路とを有し、減衰回路と遅延回路から出力される各信号をそれぞれ第2の周波数の信号によってサンプルホールドすると共に各サンプルホールドした信号をコンパレータに通すことによってストップ信号を生成して出力するものであってもよい。
また、本発明の距離センサは、ストップ信号生成手段が、受信信号を微分する微分回路を有し、微分回路から出力される微分信号についてサンプルホールドを行った信号と、比較用の所定のリファレンス信号とをコンパレータに通すことによってストップ信号を生成して出力するものであってもよい。
また、本発明の距離センサは、ストップ信号生成手段が、受信信号のピークを検出してホールドするピークホールド回路と、受信信号のボトムを検出してホールドするボトムホールド回路とを有し、受信信号を分岐し、分岐後の1つの信号についてサンプルホールドを行った信号と、分岐後の他の2つの信号をそれぞれピークホールド回路とボトムホールド回路とに入力することにより得られる2つの信号に基づいて設定した比較用のリファレンス信号とを、コンパレータに通すことによって前記ストップ信号を生成して出力するものであってもよい。
この距離センサにおいて、サンプルホールドした信号をコンパレータに通す前に増幅する増幅回路を備えることが好ましい。
この距離センサにおいて、サンプルホールドした信号をコンパレータに通す前にフィルタリングするローパスフィルタを備えることが好ましい。
本発明の距離センサによれば、受信信号の処理を低速で対応可能とすることにより、低コスト化と共に測定精度の向上または維持を実現できる。
以下、本発明の実施形態に係る距離センサについて、図面を参照して説明する。
(第1の実施形態)
図1、図2は第1の実施形態に係る距離センサを示す。図1に示すように、距離センサ1は、対象物Mに照射したパルス光から成る信号波が対象物から反射して戻ってくるまでの往復の時間の計測結果に基づいて対象物Mまでの距離を求める。距離センサ1は、第1の周波数の信号を生成する第1のシンセサイザ11と、第1の周波数とは異なる第2の周波数の信号を生成する第2のシンセサイザ12と、第1の周波数の信号を第2の周波数によってサンプリングすることによりスタート信号を生成して出力するサンプルホールド回路3(スタート信号生成手段)と、第1の周波数によってパルス化した光の信号波を外部に送信する投光器4(送信部)と、投光器4から送信されて対象物Mから反射して戻ってくる信号波を受信して受信信号を出力する受光器5(受信部)と、受光器5からの受信信号を第2の周波数の信号によってサンプルホールドした信号に基づいてストップ信号を生成して出力する比較判断回路6(ストップ信号生成手段)と、スタート信号の出力からストップ信号の出力までの経過時間に基づいて対象物Mまでの距離を演算して求める計数演算器7(距離演算手段)と、各回路の同期動作のための時間信号を発生するクロック10と、を備えている。各回路間の信号の伝達方向が、矢印で示されている。投光器4は、LED等の発光素子とその駆動回路等からなり、受光器5は、受光素子と受光素子からの光電流をIVアンプで電圧に変換する信号処理回路等からなる。
(第1の実施形態)
図1、図2は第1の実施形態に係る距離センサを示す。図1に示すように、距離センサ1は、対象物Mに照射したパルス光から成る信号波が対象物から反射して戻ってくるまでの往復の時間の計測結果に基づいて対象物Mまでの距離を求める。距離センサ1は、第1の周波数の信号を生成する第1のシンセサイザ11と、第1の周波数とは異なる第2の周波数の信号を生成する第2のシンセサイザ12と、第1の周波数の信号を第2の周波数によってサンプリングすることによりスタート信号を生成して出力するサンプルホールド回路3(スタート信号生成手段)と、第1の周波数によってパルス化した光の信号波を外部に送信する投光器4(送信部)と、投光器4から送信されて対象物Mから反射して戻ってくる信号波を受信して受信信号を出力する受光器5(受信部)と、受光器5からの受信信号を第2の周波数の信号によってサンプルホールドした信号に基づいてストップ信号を生成して出力する比較判断回路6(ストップ信号生成手段)と、スタート信号の出力からストップ信号の出力までの経過時間に基づいて対象物Mまでの距離を演算して求める計数演算器7(距離演算手段)と、各回路の同期動作のための時間信号を発生するクロック10と、を備えている。各回路間の信号の伝達方向が、矢印で示されている。投光器4は、LED等の発光素子とその駆動回路等からなり、受光器5は、受光素子と受光素子からの光電流をIVアンプで電圧に変換する信号処理回路等からなる。
比較判断回路6は、受光器5からの受信信号を分岐した一方の信号を減衰させる減衰回路61と、減衰回路61によって減衰された信号を第2の周波数の信号によってサンプルホールドすると共にサンプルホールドした信号を出力するサンプルホールド回路62と、受信信号を分岐した他方の信号を遅延させる遅延回路63と、遅延回路63によって遅延された信号を第2の周波数の信号によってサンプルホールドすると共にサンプルホールドした信号を出力するサンプルホールド回路64と、各サンプルホールド回路62,64からの出力信号を入力すると共に入力した信号を比較して比較結果をストップ信号として出力するコンパレータ60と、誤動作防止用の振幅値判定回路65と、を備えている。
振幅値判定回路65は、サンプルホールド回路62が出力した信号の振幅が所定値よりも小さい場合に、コンパレータ60の出力動作を禁止する。これにより、受光器5が受光していないにも拘わらずノイズなどによりコンパレータ60の出力が不安定に変動する、という現象を防止する。また、距離センサ1は、例えば、不図示のマイコンに接続され、このマイコンに制御されて用いられる。距離センサ1による距離測定結果は、マイコンによって表示されたり、他の制御装置の制御に用いられる。これらの場合に、マイコンは、振幅値判定回路65による判定結果に基づいて、または、コンパレータ60からの出力が所定時間経過しても出力されないことに基づいて、エラー処理や、再測定の処理などを行う。
次に、距離センサ1の動作を説明する。図2(a)〜(f)に示すように、第1、第2のシンセサイザ11,12が生成する信号は、それぞれ周期T1,T2を有する方形波である。また、投光器4から送信されるパルス光、従って、受光器5によって受光され出力される受信信号は、周期T1の方形波である。サンプルホールド回路3は、第1の周波数の信号と第2の周波数の信号とが同期(例えば、波形の立ち上がり位相が一致)したとき、スタート信号を生成し、そのスタート信号を計数演算器7に対して出力する。図2における時刻t0に同期が発生し、スタート信号が生成されている。なお、距離センサ1が動作を開始すると、各部がクロック10による同一クロックのもとで動作し、第1、第2のシンセサイザ11,12はそれぞれの信号を生成し続け、投光器4による投光と、受光器5による受信信号の出力がそれぞれ連続して行われる。受光器5から出力される受信信号は、時刻t0から時間tだけ遅れた立ち上がり波形となっている。この時間tが、距離センサ1から対象物Mまでの距離Lを往復するパルス光の往復時間である。図2(e)には、減衰回路61と遅延回路63(遅延時間td)とをそれぞれ通した受信信号(減衰信号と遅延信号)が重ねて示されている。遅延時間tdは、周期T1,T2、方形波の立ち上がり形状(急峻度)、波形幅等に応じて適宜設定される。また、減衰回路61による減衰量は、受信信号に対して一定の減衰率としたり、一定の減衰量を差し引くようにオフセットしたりして、適宜設定することができる。
減衰信号と遅延信号は、スタート信号が出力された時刻t0以降、それぞれ第2の周波数の信号によって周期T2ごとに(図中の時刻t1,t2,・・に)、サンプルホールド回路62,64によりサンプルホールドが繰り返され、コンパレータ60に入力される。コンパレータ60は、周期T2ごとに両信号の比較を行い、コンパレータ60の比較用入力端子における減衰信号の入力側よりも遅延信号の入力側の信号強度が大きくなった時点で、図2(f)に示すように、ストップ信号を出力する。図2に示した例では、繰り返し回数N=4回目(時刻t4)に、ストップ信号が出力されている。なお、ストップ信号が出力された時点で、図2(a)に示すように、スタート信号が解除される。計数演算器7は、クロック10の信号に基づいて、スタート信号からストップ信号までの時間を計測し、計測結果を時間τとする。ここで、t+td=N×(T2−T1)であり、τ=N×T2である。従って、時間tが、t=N×(T2−T1)−td=(τ/T2)×(T2−T1)−tdによって求められる。この時間tと既知の光速cから、対象物Mまでの距離Lが、L=c×t/2、によって求められる。
本実施形態によれば、等価サンプリングを用いて、減衰信号と遅延信号の時間軸を引き伸ばしているので、ロースペックのコンパレータを用いることができる。なお、等価サンプリングは、サンプリング定理が成立しない長いサンプリング周期でのサンプリングではあるが、信号が周期関数の場合には、元の信号の波形を再現可能なサンプリング方法である。等価サンプリングによるコンパレータの伝達遅延の緩和により、距離センサのシステム全体を低速化、高感度化することができる。さらに、コンパレータ60に入力される信号が、サンプルホールド回路62,64によってサンプルホールドされた信号であり、低速な信号処理になっている。従って、システム全体を低速化することにより、距離センサの低コスト化と共に測定精度の向上または維持を実現できる。また、遅延回路の時定数を下げることができるので、ストップ信号を出力する比較判断回路6などの回路の集積化がより容易になる。また、コンパレータの伝達遅延量の振幅依存性が緩和されるので、受光強度がより弱い低振幅の受信信号であっても距離測定が可能になり、より遠距離までの距離測定が可能になる。なお、時間τ=N×T2の測定精度は、周期T2の半分、±(T2)/2である。言い換えると、コンパレータ60は、この測定精度の範囲内で比較結果を出力すればよく、この分、コンパレータ60に要求されるスペックが緩和される。
(第1の実施形態の変形例)
図3は距離センサ1の変形例を示す。この変形例は、図1に示した第1の実施形態の距離センサ1において、サンプルホールドした信号をコンパレータに通す前に増幅する増幅器6aを備えるものである。等価サンプリングが適用され、サンプルホールド回路62,64によってサンプルホールドされた信号は低速になっているので、後段に比較的低速な増幅器を入れても時間情報を維持したまま、信号電圧を上げることができる。このため、後段のコンパレータ60に大きな電圧を入力でき、コンパレータ60の入力振幅に依存する伝達遅延量を、さらに減らすことができる。
図3は距離センサ1の変形例を示す。この変形例は、図1に示した第1の実施形態の距離センサ1において、サンプルホールドした信号をコンパレータに通す前に増幅する増幅器6aを備えるものである。等価サンプリングが適用され、サンプルホールド回路62,64によってサンプルホールドされた信号は低速になっているので、後段に比較的低速な増幅器を入れても時間情報を維持したまま、信号電圧を上げることができる。このため、後段のコンパレータ60に大きな電圧を入力でき、コンパレータ60の入力振幅に依存する伝達遅延量を、さらに減らすことができる。
(第1の実施形態の他の変形例)
図4は距離センサ1の他の変形例を示す。この変形例は、図1に示した第1の実施形態の距離センサ1において、サンプルホールドした信号をコンパレータ60に通す前にフィルタリングするローパスフィルタ6bを備えるものである。受光器5の信号処理回路におけるIVアンプ等は、高速応答するために広い帯域を持っており、受信信号は、高周波領域に渡る広範囲に広がるノイズ成分を持つ可能性がある。また、等価サンプリングが適用され、サンプルホールド回路62,64によってサンプルホールドされた信号は低速になっているので、後段に高域カットフィルタを入れても時間情報を損なうことがない。そこで、信号が低速になった後、ローパスフィルタ6bによって、ノイズ成分を効果的に除去することができ、S/N比を改善することができる。
図4は距離センサ1の他の変形例を示す。この変形例は、図1に示した第1の実施形態の距離センサ1において、サンプルホールドした信号をコンパレータ60に通す前にフィルタリングするローパスフィルタ6bを備えるものである。受光器5の信号処理回路におけるIVアンプ等は、高速応答するために広い帯域を持っており、受信信号は、高周波領域に渡る広範囲に広がるノイズ成分を持つ可能性がある。また、等価サンプリングが適用され、サンプルホールド回路62,64によってサンプルホールドされた信号は低速になっているので、後段に高域カットフィルタを入れても時間情報を損なうことがない。そこで、信号が低速になった後、ローパスフィルタ6bによって、ノイズ成分を効果的に除去することができ、S/N比を改善することができる。
(第2の実施形態)
図5、図6は第2の実施形態に係る距離センサについて示す。本実施形態の距離センサ1は、第1の実施形態の距離センサ1とは比較判断回路6(ストップ信号生成手段)の構成が異なり、他は同様である。すなわち、図5に示すように、比較判断回路6は、受光器5からの受信信号を微分する微分回路66と、微分回路66に通して得られる微分信号を第2の周波数の信号によってサンプルホールドすると共にサンプルホールドした信号を出力するサンプルホールド回路62と、サンプルホールドした信号および比較用の所定のリファレンス信号を入力すると共に入力した2つの信号を比較して比較結果をストップ信号として出力するコンパレータ60と、誤動作防止用の振幅値判定回路65と、を備えている。振幅値判定回路65は、微分回路66を通す前の受信信号の振幅が所定値よりも小さい場合に、第1の実施形態と同様に、コンパレータ60の出力動作を禁止する。
図5、図6は第2の実施形態に係る距離センサについて示す。本実施形態の距離センサ1は、第1の実施形態の距離センサ1とは比較判断回路6(ストップ信号生成手段)の構成が異なり、他は同様である。すなわち、図5に示すように、比較判断回路6は、受光器5からの受信信号を微分する微分回路66と、微分回路66に通して得られる微分信号を第2の周波数の信号によってサンプルホールドすると共にサンプルホールドした信号を出力するサンプルホールド回路62と、サンプルホールドした信号および比較用の所定のリファレンス信号を入力すると共に入力した2つの信号を比較して比較結果をストップ信号として出力するコンパレータ60と、誤動作防止用の振幅値判定回路65と、を備えている。振幅値判定回路65は、微分回路66を通す前の受信信号の振幅が所定値よりも小さい場合に、第1の実施形態と同様に、コンパレータ60の出力動作を禁止する。
次に、距離センサ1の動作を説明する。図6(a)〜(g)に示すように、スタート信号、第1、第2のシンセサイザの信号、および、受信信号は、第1の実施形態の図2のものと同じである。図6(e)の微分波形は、受信信号の波高の頂点に対応する位置でゼロクロスする。時刻t0からゼロクロス点までの時間は、t+tcである。微分波形の信号は、図6(f)に示すように、スタート信号が出力された時刻t0以降、第2の周波数の信号に基づき周期T2ごとにサンプルホールド回路62によってサンプルホールドされ、その結果がコンパレータ60に入力される。コンパレータ60は、周期T2ごとに、サンプルホールド回路62からの信号と、リファレンス信号(例えば、振幅ゼロの一定値)との比較を行うことによってゼロクロス事象を検出する。コンパレータ60は、ゼロクロスが検出された時点で、図6(g)に示すように、ストップ信号を出力する。図6に示した例では、回数N=4回目(時刻t4)に、ストップ信号が出力されている。なお、ストップ信号が出力された時点で、図6(a)に示すように、スタート信号が解除される。計数演算器7は、第1の実施形態と同様に、時間tを、t=N×(T2−T1)−tc=(τ/T2)×(T2−T1)−tcによって求める。距離Lは、前記同様に、L=c×t/2、によって求められる。本実施形態によると、図1の第1の実施形態の場合と比較して、サンプルホールド回路を1つ減らすことができ、また、遅延回路が不要となり、より低コストの距離センサが実現される。
(第3の実施形態)
図7、図8は第3の実施形態に係る距離センサについて示す。本実施形態の距離センサ1は、第1の実施形態の距離センサ1とは比較判断回路6(ストップ信号生成手段)の構成が異なり、他は同様である。すなわち、図7に示すように、比較判断回路6は、受信信号を分岐した信号の1つを第2の周波数の信号によってサンプルホールドすると共にサンプルホールドした信号を出力するサンプルホールド回路62と、分岐した他の受信信号のピークを検出するピークホールド回路67と、分岐したさらに他の受信信号のボトムを検出するボトムホールド回路68と、ピークホールド回路67、ボトムホールド回路68のそれぞれからの出力に基づいて比較用のリファレンス信号を設定して出力する閾値決定回路6cと、サンプルホールド回路62からの信号と閾値決定回路6cからの信号とを入力すると共に入力した信号を比較して比較結果をストップ信号として出力するコンパレータ60と、誤動作防止用の振幅値判定回路65と、を備えている。振幅値判定回路65は、閾値決定回路6cからの信号の振幅が所定値よりも小さい場合に、第1の実施形態と同様に、コンパレータ60の出力動作を禁止する。ピークホールド回路67、ボトムホールド回路68と閾値決定回路6cは、サンプルホールド回路3がスタート信号を出力して距離測定が開始された後、コンパレータ60による比較動作が行われる前のタイミングで閾値を決定して出力する。これらの動作タイミングの設定は、不図示の他の回路や制御信号によって行われる。
図7、図8は第3の実施形態に係る距離センサについて示す。本実施形態の距離センサ1は、第1の実施形態の距離センサ1とは比較判断回路6(ストップ信号生成手段)の構成が異なり、他は同様である。すなわち、図7に示すように、比較判断回路6は、受信信号を分岐した信号の1つを第2の周波数の信号によってサンプルホールドすると共にサンプルホールドした信号を出力するサンプルホールド回路62と、分岐した他の受信信号のピークを検出するピークホールド回路67と、分岐したさらに他の受信信号のボトムを検出するボトムホールド回路68と、ピークホールド回路67、ボトムホールド回路68のそれぞれからの出力に基づいて比較用のリファレンス信号を設定して出力する閾値決定回路6cと、サンプルホールド回路62からの信号と閾値決定回路6cからの信号とを入力すると共に入力した信号を比較して比較結果をストップ信号として出力するコンパレータ60と、誤動作防止用の振幅値判定回路65と、を備えている。振幅値判定回路65は、閾値決定回路6cからの信号の振幅が所定値よりも小さい場合に、第1の実施形態と同様に、コンパレータ60の出力動作を禁止する。ピークホールド回路67、ボトムホールド回路68と閾値決定回路6cは、サンプルホールド回路3がスタート信号を出力して距離測定が開始された後、コンパレータ60による比較動作が行われる前のタイミングで閾値を決定して出力する。これらの動作タイミングの設定は、不図示の他の回路や制御信号によって行われる。
次に、距離センサ1の動作を説明する。図8(a)〜(g)に示すように、スタート信号、第1、第2のシンセサイザの信号、および、受信信号は、第1の実施形態の図2のものと同じである。図8(e)のピーク波形、ボトム波形は、下向きの白抜き矢印で示すように、時刻t0以後の受信信号の最初のパルスの幅の中でピークおよびボトムの検出とホールドが開始されて得られた波形である。なお、ピーク値やボトム値を求める際に、LPFに通した信号や平均化した信号を用いて、それらの信号から求めるようにしてもよい。閾値決定回路6cは、図8(f)に示すように、コンパレータ60による比較動作の前に閾値を出力する。閾値は、例えば、入力されたピーク値とボトム値の単純平均値や重み付き平均値によって設定することができる。コンパレータ60は、周期T2ごとに、サンプルホールド回路62からの信号と、閾値決定回路6cからのリファレンス信号(閾値)との比較を行うことによって受信信号の立ち上がり事象を検出する。コンパレータ60は、立ち上がりが検出された時点で、図8(g)に示すように、ストップ信号を出力する。図8に示した例では、回数N=2回目(時刻t2)に、ストップ信号が出力されている。なお、ストップ信号が出力された時点で、図8(a)に示すように、スタート信号が解除される。計数演算器7は、第1の実施形態と同様(ただし、td=0)に、時間tを、t=N×(T2−T1)=(τ/T2)×(T2−T1)によって求める。距離Lは、前記同様に、L=c×t/2、によって求められる。本実施形態によると、図1の第1の実施形態の場合と比較して、遅延回路が不要となり、より低コストの距離センサが実現される。
(第4の実施形態)
図9、図10は第4の実施形態に係る距離センサについて示す。本実施形態の距離センサ1は、第1の実施形態の距離センサ1における比較判断回路6(ストップ信号生成手段)の構成を単純化したものであり、他は同様である。すなわち、図9に示すように、比較判断回路6は、受信信号を分岐した信号の1つを第2の周波数の信号によってサンプルホールドすると共にサンプルホールドした信号を出力するサンプルホールド回路62と、サンプルホールド回路62からの信号と比較用のリファレンス信号とを入力すると共に入力した信号を比較して比較結果をストップ信号として出力するコンパレータ60と、誤動作防止用の振幅値判定回路65と、を備えている。振幅値判定回路65は、サンプルホールド回路62からの信号の振幅が所定値よりも小さい場合に、第1の実施形態と同様に、コンパレータ60の出力動作を禁止する。
図9、図10は第4の実施形態に係る距離センサについて示す。本実施形態の距離センサ1は、第1の実施形態の距離センサ1における比較判断回路6(ストップ信号生成手段)の構成を単純化したものであり、他は同様である。すなわち、図9に示すように、比較判断回路6は、受信信号を分岐した信号の1つを第2の周波数の信号によってサンプルホールドすると共にサンプルホールドした信号を出力するサンプルホールド回路62と、サンプルホールド回路62からの信号と比較用のリファレンス信号とを入力すると共に入力した信号を比較して比較結果をストップ信号として出力するコンパレータ60と、誤動作防止用の振幅値判定回路65と、を備えている。振幅値判定回路65は、サンプルホールド回路62からの信号の振幅が所定値よりも小さい場合に、第1の実施形態と同様に、コンパレータ60の出力動作を禁止する。
次に、距離センサ1の動作を説明する。図10(a)〜(g)に示すように、スタート信号、第1、第2のシンセサイザの信号、および、受信信号は、第1の実施形態の図2のものと同じである。図10(e)において、リファレンス信号(閾値)が時刻t1に動的に出力されているが、リファレンス信号として所定の一定電圧をコンパレータ60に常時入力しておいてもよい。コンパレータ60は、周期T2ごとに、サンプルホールド回路62からの信号と、リファレンス信号(閾値)との比較を行うことによって受信信号の立ち上がり事象を検出する。コンパレータ60は、立ち上がりが検出された時点で、図10(f)に示すように、ストップ信号を出力する。図10に示した例では、回数N=2回目(時刻t2)に、ストップ信号が出力されている。なお、ストップ信号が出力された時点で、図10(a)に示すように、スタート信号が解除される。計数演算器7は、第1の実施形態と同様(ただし、td=0)に、時間tを、t=N×(T2−T1)=(τ/T2)×(T2−T1)によって求める。距離Lは、前記同様に、L=c×t/2、によって求められる。本実施形態によると、第1乃至第3の実施形態の場合と比較して、回路構成が簡単化されており、より低コストの距離センサが実現される。
なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。上述した各実施形態または各変形例の構成を互いに組み合わせた構成とすることができる。例えば、第1の実施形態の変形例における増幅器6aやローパスフィルタ6bを、他の実施形態に適用することができる。振幅値判定回路65が誤動作防止の判断に用いる信号は、各実施形態および変形例に示した例に限らず、コンパレータ60に入力される以前の、受信信号に基づく信号から適宜選択して用いることができる。また、上述した各実施形態および変形例において、繰返し回数Nの値としてN=4やN=2を示したが、回数Nの値が大きいほど距離の測定精度が上がるので、通常は、測定される距離範囲に対してもっと大きな値となるように設定される。一般に、周期T1,T2が互いに近いほど回数Nが大きくなる。回数Nが充分大きい場合、第3および第4の実施形態におけるリファレンス信号(閾値)生成と出力のタイミングは、最初の何回目かの周期T2後に行えばよい。また、信号波としてパルス光を例示して説明したが、光以外の電磁波による信号波でもよく、超音波による信号波でもよい。
1 距離センサ
3 サンプルホールド回路(スタート信号生成手段)
4 投光器(送信部)
5 受光器(受信部)
6 比較判断回路(ストップ信号生成手段)
7 計数演算部(距離演算手段)
11 第1のシンセサイザ
12 第2のシンセサイザ
60 コンパレータ
61 減衰回路
62 遅延回路
6a 増幅器(増幅回路)
6b ローパスフィルタ
M 対象物
3 サンプルホールド回路(スタート信号生成手段)
4 投光器(送信部)
5 受光器(受信部)
6 比較判断回路(ストップ信号生成手段)
7 計数演算部(距離演算手段)
11 第1のシンセサイザ
12 第2のシンセサイザ
60 コンパレータ
61 減衰回路
62 遅延回路
6a 増幅器(増幅回路)
6b ローパスフィルタ
M 対象物
Claims (5)
- 対象物に照射した信号波が対象物から反射して戻ってくるまでの往復の時間の計測結果に基づいて対象物までの距離を求める距離センサにおいて、
第1の周波数の信号を生成する第1のシンセサイザと、
第1の周波数とは異なる第2の周波数の信号を生成する第2のシンセサイザと、
前記第1の周波数の信号を前記第2の周波数に基づきサンプリングすることによりスタート信号を生成して出力するスタート信号生成手段と、
前記第1の周波数に基づきパルス化した信号波を外部に送信する送信部と、
前記送信部から送信されて対象物から反射して戻ってくる信号波を受信して受信信号を出力する受信部と、
前記受信部からの受信信号を前記第2の周波数に基づきサンプルホールドした信号に基づいてストップ信号を生成して出力するストップ信号生成手段と、
前記スタート信号の出力から前記ストップ信号の出力までの経過時間に基づいて対象物までの距離を演算して求める距離演算手段と、を備え、
前記ストップ信号生成手段は、
前記受信信号を分岐した信号のうちの1つの信号を減衰する減衰回路と、
前記分岐した信号のうちの1つの信号を遅延させる遅延回路とを有し、
前記減衰回路と前記遅延回路から出力される各信号について前記サンプルホールドを行うと共に各サンプルホールドした信号をコンパレータに通すことによって前記ストップ信号を生成して出力することを特徴とした距離センサ。 - 対象物に照射した信号波が対象物から反射して戻ってくるまでの往復の時間の計測結果に基づいて対象物までの距離を求める距離センサにおいて、
第1の周波数の信号を生成する第1のシンセサイザと、
第1の周波数とは異なる第2の周波数の信号を生成する第2のシンセサイザと、
前記第1の周波数の信号を前記第2の周波数に基づきサンプリングすることによりスタート信号を生成して出力するスタート信号生成手段と、
前記第1の周波数に基づきパルス化した信号波を外部に送信する送信部と、
前記送信部から送信されて対象物から反射して戻ってくる信号波を受信して受信信号を出力する受信部と、
前記受信部からの受信信号を前記第2の周波数に基づきサンプルホールドした信号に基づいてストップ信号を生成して出力するストップ信号生成手段と、
前記スタート信号の出力から前記ストップ信号の出力までの経過時間に基づいて対象物までの距離を演算して求める距離演算手段と、を備え、
前記ストップ信号生成手段は、
前記受信信号を微分する微分回路を有し、
前記微分回路から出力される微分信号について前記サンプルホールドを行った信号と、比較用の所定のリファレンス信号とをコンパレータに通すことによって前記ストップ信号を生成して出力することを特徴とした距離センサ。 - 対象物に照射した信号波が対象物から反射して戻ってくるまでの往復の時間の計測結果に基づいて対象物までの距離を求める距離センサにおいて、
第1の周波数の信号を生成する第1のシンセサイザと、
第1の周波数とは異なる第2の周波数の信号を生成する第2のシンセサイザと、
前記第1の周波数の信号を前記第2の周波数に基づきサンプリングすることによりスタート信号を生成して出力するスタート信号生成手段と、
前記第1の周波数に基づきパルス化した信号波を外部に送信する送信部と、
前記送信部から送信されて対象物から反射して戻ってくる信号波を受信して受信信号を出力する受信部と、
前記受信部からの受信信号を前記第2の周波数に基づきサンプルホールドした信号に基づいてストップ信号を生成して出力するストップ信号生成手段と、
前記スタート信号の出力から前記ストップ信号の出力までの経過時間に基づいて対象物までの距離を演算して求める距離演算手段と、を備え、
前記ストップ信号生成手段は、
前記受信信号のピークを検出してホールドするピークホールド回路と、
前記受信信号のボトムを検出してホールドするボトムホールド回路とを有し、
前記受信信号を分岐し、前記分岐後の1つの信号について前記サンプルホールドを行った信号と、前記分岐後の他の2つの信号をそれぞれ前記ピークホールド回路と前記ボトムホールド回路とに入力することにより得られる2つの信号に基づいて設定した比較用のリファレンス信号とを、コンパレータに通すことによって前記ストップ信号を生成して出力することを特徴とした距離センサ。 - 前記サンプルホールドした信号を前記コンパレータに通す前に増幅する増幅回路を備えたことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の距離センサ。
- 前記サンプルホールドした信号を前記コンパレータに通す前にフィルタリングするローパスフィルタを備えたことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の距離センサ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010120329A JP2011247717A (ja) | 2010-05-26 | 2010-05-26 | 距離センサ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010120329A JP2011247717A (ja) | 2010-05-26 | 2010-05-26 | 距離センサ |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2011247717A true JP2011247717A (ja) | 2011-12-08 |
Family
ID=45413158
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2010120329A Withdrawn JP2011247717A (ja) | 2010-05-26 | 2010-05-26 | 距離センサ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2011247717A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101539556B1 (ko) * | 2014-01-17 | 2015-07-28 | 여태운 | 듀얼 주파수 레이저를 이용한 거리 측정장치 |
-
2010
- 2010-05-26 JP JP2010120329A patent/JP2011247717A/ja not_active Withdrawn
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---|---|---|---|---|
KR101539556B1 (ko) * | 2014-01-17 | 2015-07-28 | 여태운 | 듀얼 주파수 레이저를 이용한 거리 측정장치 |
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